Trampas de Láser

7/26/2019 Trampas de Lser

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PINZAS PTICAS, UNA HERRAMIENTA EFICAZ PARAMICROMANIPULACIN

Optical Tweezers, An Effective Tool For Micromanipulation

1,3 1,2 1,3IBIS RICARDEZ V. , EBER E. OROZCO G. y JOS A. HERNNDEZ N.1Instituto Nacional de Astrofsica, ptica y Electrnica, 72000 Puebla, Pue. Mxico

2Departamento de Fsica, Universidad de Carabobo, FACYT,Valencia, Estado Carabobo, Venezuela

3Universidad Jurez Autnoma de Tabasco, 86690 Tabasco, [email protected], [email protected], [email protected]

Fecha de recepcin:05/09/2007, Fecha de Revisin:27/10/2007, Fecha de Aceptacin:14/11/2007

Resumen

Desde su invencin en 1986, las pinzas pticas han emergido como una potente herramienta demicromanipulacin que actualmente cuenta con una banda amplia de aplicaciones en biologa y fsica,donde es posible guiar, atrapar y separar objetos microscpicos como una clula usando nicamente luzlser fuertemente enfocada. En este trabajo se describe el principio fsico de las pinzas pticas y se presentala manipulacin de un espermatozoide humano como muestra de una aplicacin biolgica.

Palabras clave: Clulas biolgicas, manipulacin ptica, micropartculas, pinzas pticas.

Abstract

Since their invention in 1986, optical tweezers have emerged as a powerful tool micromanipulation that at

the moment has a broad-reaching applications in biology and physics where one may guide, trap and sortmicroscopic objects as a cell only using strongly focused light laser. In this article the physical principle ofthe optical tweezers is described and the manipulation of a human sperm is presented as sample of abiological application.

Key words: Biological cells, optical manipulation, microparticles, optical tweezers.

FARAUTE Ciens. y Tec., 3(1): 25-30, 2008.ISSN 1698-7418Depsito Legal PP200402CA1617


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1. Introduccin 2. Fsica de las pinzas pticas

Desde el siglo XVII se conoce el hecho de El principio fsico del confinamiento de unaque la luz ejerce presin sobre la materia en la que micropartcula puede describirse de acuerdo a su

incide. Johannes Kepler observ que la direccin tamao. Si el dimetro D de esta es menor que laque tomaba la cola de los cometas, la cual es longitud de onda del haz nos encontramos en elsiempre en sentido contrario a la posicin del sol, rgimen de campos pticos o rgimen deera debido al empuje de la radiacin solar, pero Rayleigh (en la prctica D > 0.4). En el casoahora sabemos que tal efecto se debe al viento contrario estamos en el rgimen de rayos pticossolar. Dos siglos despus, en 1873 James Clerk (en la prctica D > 10). Debido a que el tamaoMaxwell demostr tericamente que la luz por s de las partculas utilizadas en este trabajo es demisma poda ejercer fuerzas pt icas, unos pocos micrmetros, aplicamos el rgimen dedenominadas presin de radiacin. rayos pticos y hacemos un anlisis geomtrico

para describir la fuerza de captura. AquPosteriormente, dentro del marco de la descomponemos el haz de luz en rayos

mecnica cuntica, con el trabajo de Einstein y individuales, cada uno con apropiada intensidad yPlanck, se pudo explicar que la luz tambin se direccin que se propagan en lneas rectas en uncomporta como un flujo de corpsculos llamados medio de ndice de refraccin uniforme. En estafotones, que al igual que las partculas materiales, aproximacin tanto la longitud de onda como lospueden ejercer presin sobre los objetos, e efectos de difraccin pueden ser despreciados. Deincluso, transferir momento (Hecht, 2000). Sin acuerdo a este modelo, la operacin bsica de lasembargo, debido al orden de magnitud de estas pinzas pticas puede ser explicada por lafuerzas (pN), hubo que esperar hasta 1986 para transferencia de momento lineal asociada con elque el cientfico estadounidense A. Ashkin de los cambio de trayectoria de los rayos en una interfazlaboratorios Bell describiera experimentalmente dielctrica ya sea por reflexin o por transmisin,el uso de un haz lser para atrapar y manipular y por la tercera ley de Newton (Ashkin et al.,micropartculas dielctricas (Ashkin et al., 1986). 1986; Ashkin, 1992).

Un ao despus demostr la utilidad de su tcnicaen organismos vivos atrapando virus, bacterias y Para entender este fenmeno, consideramosprotozoos (Ashkin & Dziedzic, 1987; Ashkin et un haz con perfil de intensidad Gaussianoal., 1987). fuertemente enfocado por una lente. Justo abajo

del foco (o cintura del haz) colocamos unaEste mtodo de micromanipulacin conocida partcula transparente de alto ndice de refraccin

como pinzas pticas, es actualmente una n(mayor al del medio circundante n ), como semherramienta moderna usada principalmente en muestra en la Fig. 1. Nos concentramosinvestigacin biolgica y mdica, donde es nicamente en el rayo acon momento lineal Paiposible mover, atrapar, torcer, etc. objetos

incidiendo sobre la esfera, el cual sufre un cambiomicroscpicos con luz y sin necesidad de teneren su momento debido a la refraccin. Este rayocontacto mecnico con ellos. El rango de tamaos

emerge finalmente de la esfera con un momentode los objetos para manipulacin va de decenas de P , por lo que de un simple anlisis vectorial deafnanmetros a decenas de micrmetros.momentos obtenemos el cambio total en sumomento P . Ocurre entonces una transferenciaEn este trabajo se discuten los principios ade momento de la luz a la partcula, y enfsicos que permiten la captura ptica yconsecuencia, una correspondiente fuerza depresentamos la manipulacin de un gametoreaccin sobre la partcula (cambio de momentomasculino como una muestra del alcance de dichaP por unidad de tiempo t) en sentido opuesto,tecnologa. aesto es, por la conservacin del momento lineal, la

Pinzas pticas, una Herramienta Eficaz para Micromanipulacin

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fuerzaF ejercida sobre la partcula por el rayo a esparcimiento es menor que la fuerza gradiente,acondicin que debe cumplirse para elapunta en sentido opuesto a P , y puesto que elaconfinamiento (Ashkin, 1991). Ms aun, pararayo bincide simtricamente respecto al eje delobtener confinamiento axial, laFes tal que puedeghaz se obtiene de un mismo anlisis la fuerzaF .b

vencer a laFy al peso W de la partcula, es decir,sF > (F+ W). Por esta razn no se presenta aqu elg sanlisis de F, ya que adems solo la fuerzasgradiente es la responsable de la captura en estecaso. Una desviacin de la posicin estable de lapartcula en el centro de la trampa provocar unafuerza restauradora que la conducir de nuevo asu posicin de equilibrio, la cual puede sercalculada usando la expresin (Ashkin, 1992).

(1)

Esta es la mxima fuerza ejercida por latrampa, Qes una constante de escalamiento quedepende del tamao de la esfera y de la diferenciaFig. 1. Trazo de rayos mostrando las fuerzas de

confinamiento axial de una partcula debido a un haz de ndice de refraccin entre la esfera y el medioGaussiano fuertemente focalizado. El diagrama de vectores n que la rodea, por lo general agua. P es lamindica el cambio de momento de la luz debido a la

potencia del lser y c es la velocidad de la luz en el0refraccin.vaco.

Puesto que ambas fuerzas son de igualmagnitud, el resultado total es una fuerzaF quegmueve a la partcula hacia la zona focalizada(trampa ptica) permitiendo que esta quedeatrapada de forma estable y tridimensionalmente.Esta fuerza es conocida como fuerza gradientedebido a que apunta hacia la direccin de mximaintensidad del haz.

En un anlisis de rayos ms completoaparecen en realidad dos fuerzas. Una es la fuerzagradiente, descrita anteriormente, y la otra surge

debido a la reflexin que sufren los rayosincidentes. De igual modo, bajo un simple anlisisvectorial de momentos se encuentra que la fuerzaresultante de los rayos reflejados apunta siempreen la direccin de propagacin del haz, es decir, ensentido contrario a la fuerza de gradiente y esconocida como fuerza de esparcimiento Fs(Ashkin, 1992). Puesto que la luz es altamentetransmitida (partculas transparentes), la fuerza de

3. Pinza ptica bsica

En la Fig. 2 se describe el arreglo pticobsico de pinzas pticas con un solo haz. Con estesistema se capturaron y manipularon microesferasdielctricas trasparentes de slice.

El haz proveniente de un lser de Argn a unalongitud de onda de 514 nm es expandido con elsistema de lentes L1 y L2 con el fin de que el hazllene completamente la apertura de salida del

objetivo de microscopio y aumentar as elgradiente de intensidad focal, puesto que as sealcanza un buen confinamiento axial, es decir, endireccin vertical.

El par de espejos M1 y M2 sirven paracontrolar la direccin del haz, el cualposteriormente es desviado hacia el objetivo demicroscopio de 100X (de inmersin en aceite)mediante el cubo divisor. De esta manera se logra

Ibis Ricardez V., Eber E. Orozco G. y Jos A. Hernndez N.

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nPF Q c



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sitio como se observa en (c). El confinamiento en

Fig. 3. De (a)-(b) se muestra el confinamiento ydesplazamiento de la esfera. La captura en 3D es mostrada

de (c)-(d).

3D se muestra de (c)-(d). Primero vemos lapartcula atrapada, posteriormente la muestra esdesplazada vert icalmente hacia abajoFig. 2. Arreglo bsico de pinzas pticas para elmantenindose sujetada la partcula, enconfinamiento y manipulacin de micropartculas.consecuencia las otras partculas se desenfocan

tener un haz fuertemente enfocado sobre la respecto a la que est capturada, lo que pruebamuestra, la cual reposa en una montura con efectivamente la captura en 3D. La potencia usadadesplazamiento en xyz. La muestra consiste de para el confinamiento fue de 15 mW sobre lamicroesferas slidas de slice (n = 1.45) muestra. Es obvio que para una mayor eficienciasuspendidas en agua (n = 1.33). de la trampa se requiere aumentar la potencia perom

se corre el riesgo de provocar dao ptico.La observacin del confinamiento se realiza

4 . Apl i cac i ones . M ani pu l ando unmediante una cmara CCD cuando la muestra esespermatozoideiluminada con una lmpara convencional de luz

blanca. La lente L3 permite enfocar la imagen deLas aplicaciones de las pinzas crecenla escena a la CCD. La muestra es llevada al foco

vertiginosamente. Actualmente cuenta conde la trampa mediante desplazamientos verticalesamplias aplicaciones en ciencias biolgicas dondeya que el objetivo permanece esttico. De estese perfilan como una herramienta de trabajo paramodo las microesferas son atrapadas en 3D talestudiar tejidos como los organelos de una clula,como lo predice la teora.las molculas de un virus o el mecanismo de

transporte de una enzima, en tanto que para losEn la Fig. 3 vemos una secuencia de imgenes mdicos es una tecnologa de alta precisin, tilmostrando la captura y manipulacinen microciruga y en la aplicacin de mtodos detridimensional de una microesfera inorgnica dereproduccin asistida. Resulta difcil dar unslice con 5 m de dimetro.panorama general de las aplicaciones de laspinzas pticas puesto que es muy vasta, peroEn las imgenes (a)-(b) se aprecia como ladamos algunos ejemplos de referencias recientespartcula es capturada. El haz proyectado sobre ladonde se plantean algunas de sus aplicacionesmuestra (crculo luminoso), cuyo dimetro es delms importantes, estas son: McGloin, 2006;orden del tamao de la esfera, es dirigido hacia laDholakia & Reece, 2006; Kuyper & Chiu, 2002.partcula, el cual la succiona y la desplaza a otro




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En el caso de manipulacin de material 5. Conclusionesorgnico como una clula, se utilizan lseres queemiten en el infrarrojo ( = 1064 nm) puesto que Se ha presentado el fundamento bsico de lasestos resultan ser inocuos para ese tipo de pinzas pticas de un solo haz en los aspectos

muestras debido a la poca absorcin que terico y experimental. Tambin se mostr lapresentan. eficacia de la tcnica en la manipulacin de unesperma humano, lo que podra aplicarse a

Como ejemplo de una aplicacin en el campo procesos de inseminacin artificial in vitro, porde la biologa, en la Fig. 4 podemos apreciar la ejemplo, ya que adems el mtodo es no invasivo.captura y manipulacin de un gameto masculino Como se ha podido apreciar, las pinzas pticashumano, realizada con el sistema experimental de constituyen hoy en da una gran herramienta parala Fig. 2. la manipulacin de otros tipos de microobjetos.

A nivel mundial, se trabaja actualmente en eldesarrollo de nuevas tcnicas de manipulacinms eficaces que faciliten las aplicaciones y que

permitan un mayor control en los mtodos decapturas mltiples, por ejemplo. Tambin setrabaja en el desarrollo experimental de las pinzas

Fig. 4.Captura y manipulacin de un esperma humano con nanomtricas para lograr la manipulacin deel arreglo estndar de pinzas pticas de un solo haz. objetos biolgicos ms pequeos como

molculas, virus, bacterias, DNA, etc; los cualesEn (a) podemos ver nuevamente la seccin

son de este orden de magnitud (Novotny et al.,transversal del haz (crculo luminoso) proyectado

1997; Kuyper & Chiu, 2002).sobre la muestra, lo que representa la trampaptica. Mediante sens ibles micro desp la-zamientos de la muestra, la clula es llevada a la

6. Agradecimientotrampa donde es capturada por la cabeza como se

aprecia en (b) y posteriormente es desplazada a Al Dr. Rubn Ramos Garca, impulsor de lasotra posicin, nuevamente bajo desplazamiento

pinzas pticas en el NAOE, por su valiosade la muestra como puede verse en (c), lo que

contribucin en el desarrollo de este trabajo.muestra que efectivamente el gameto estatrapado.

7. Bibliografa

La clula se encuentra suspendida en aguaAshkin, A., J. M. Dziedzic, J. E. Bjorkholm & S.

destilada y es atrapada con una potencia de 25Chu. (1986). Observation of a single-beam

mW. Aqu la captura es bidimensional y es debidagradient force optical trap for dielectric particles.

a la fuerza de esparcimiento. El gameto esOpt. Lett. 11 (5): 288-290.

confinado y arrastrado por efecto de la presin de

radiacin del haz contra el fondo de la muestra Ashkin, A. & J. M. Dziedzic. (1987). Optical(portaobjeto) cuando este se encuentra por encimatrapping and manipulation of viruses and bacteria.

del foco del haz. El plano focal coincide con elScience235 (4795): 1517-1520.

fondo de la muestra (Ricrdezet al, 2005). Estemtodo puede ser aplicable para la manipulacin Ashkin, A., J. M. Dziedzic & T. Yamane. (1987).de otros tipos de materiales biolgicos como Optical trapping and manipulation of single cellsleucocitos, eritrocitos, bacterias, etc., los cuales using infrared laser beams. Nature 330 (6150):son objetos de estudio y anlisis mientras 769-771.permanecen sujetadas por las delicadas y eficacesbrazos de las pinzas pticas.


Ibis Ricardez V., Eber E. Orozco G. y Jos A. Hernndez N.


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